Как 3D-печать революционизирует дизайн и производительность гидравлических компонентов

[Кредит фото: Renishaw]
 
Спрос на новые подходы в дизайне и производстве гидравлических компонентов растет. Одна технология, позволяющая производителям исследовать новые возможности в гидравлике — 3D-печать.
 
От Liebherr и Ford до Bosch Rexroth компании обращаются к 3D-печати для создания более энергоэффективных, легких и менее дорогих гидравлических компонентов.
 
Сегодняшний Application Spotlight погружается в преимущества 3D-печати для гидравлических систем и компонентов, исследуя самые захватывающие примеры технологии в действии.
 
Посмотрите другие приложения в этой серии:
 
3D-печать для теплообменников
 
3D-печать для подшипников
 
3D-печать для велосипедного производства
 
3D-печать для цифровой стоматологии и производства алigner'ов
 
3D-печать для медицинских имплантов
 
3D-напечатанные ракеты и будущее космического производства
 
3D-печать для обувного производства
 
3D-печать для электронных компонентов
 
3D-печать в железнодорожной отрасли
 
3D-напечатанные очки
 
3D-печать для конечного производства деталей
 
3D-печать для кронштейнов
 
3D-печать для деталей турбин
 
Как 3D-печать поддерживает инновации в ядерной энергетике
 

Зачем использовать 3D-печать для гидравлических компонентов?

 
Гидравлика — один из самых эффективных способов создания движения при тяжелых нагрузках или повторяющемся движении.
 
Гидравлические системы используют насосы для pressurisation жидкости, и ее движение затем используется для привода всего — от кранов до автомобилей.
 
Гидравлика окружает нас ежедневно. Она используется в транспорте, строительной технике, зданиях и производственных объектах.
 
Гидравлические компоненты традиционно производятся механической обработкой или литьем. Однако многие производители гидравлического оборудования заинтересованы в производстве компонентов — коллекторов, сервоклапанов и гидравлических адаптерных блоков — с помощью 3D-печати. Но что заставляет их рассматривать технологию в первую очередь?
 
По словам Стеффена Хаака, руководителя бизнес-единицы промышленной гидравлики Bosch Rexroth AG, существует множество трендов, формирующих гидравлическую отрасль, включая:

• Энергоэффективность (снижение гидродинамических сил, снижение потерь давления, более высокая эффективность)
• Снижение шума
• Уменьшение объемов баков
• Более высокий уровень давления и уменьшение установочного пространства
• Улучшенные свойства материалов и масел
• Более высокая доступность и предиктивное обслуживание
• Удобство для пользователя
• Безопасность

3D-печать, особенно с металлами и песком, играет важную роль в движении некоторых из этих трендов, таких как повышение энергоэффективности и уменьшение установочного пространства.
 
Как? За счет возможности продвинутых дизайнов, позволяющих внедрять новые функции, уменьшать вес и размер компонентов и улучшать общую производительность гидравлической системы.
 
Давайте глубже погрузимся в преимущества 3D-печати для гидравлики.
 

Уменьшение веса и размера гидравлических компонентов

3D-печать позволяет производителям гидравлических компонентов делать детали легче и компактнее.
 
Возьмем гидравлический коллектор для примера. Эта деталь, регулирующая поток жидкости между компонентами гидравлической системы, обычно механически обрабатывается из цельного металлического блока.
 
Удаление лишнего металла сверх необходимого дорого, и часто лишний металл не удаляется, в результате деталь весит больше, чем могла бы.
 
3D-печать решает эту проблему, так как требует почти ровно столько материала, сколько нужно для производства коллектора.
 
В процессе металлической 3D-печати, как селективное лазерное спекание, лазер прослеживает микрон-тонкое поперечное сечение детали, селективно расплавляя и сплавляя металлический порошок слой за слоем. Это позволяет инженерам контролировать количество материала в детали, используя меньше металла, чем потребовало бы ЧПУ-обработка.
 
Помимо уменьшения веса, 3D-печать также позволяет более компактные детали, лучше вписывающиеся в пространственно-ограниченные дизайны. Это преимущество делает 3D-напечатанные гидравлические компоненты особенно востребованными в приложениях, требующих высокой точности и легкости.
 
В фокусе: 3D-напечатанный коллектор Aidro

 
Один пример 3D-напечатанного гидравлического компонента — от итальянского производителя Aidro.
 
Гидравлический коллектор Aidro, используемый в сельхозтехнике, перепроектирован для экономии веса и места в системе. 3D-напечатанный алюминиевый коллектор выполняет те же функции, что и заменяемый блок, но в два раза меньше и на 75% легче предыдущего коллектора.
 
Консолидация деталей

3D-печать также позволяет делать компоненты меньше, интегрируя несколько деталей в одну — подход, известный как консолидация деталей.
 
Это позволяет производителям устранить сложные сборки компонентов, а также повысить структурную целостность детали, так как меньше слабых точек соединения, которые могут вызывать утечки.
 

Оптимизация эффективности

3D-печать позволяет перепроектировать внутренние геометрии гидравлического компонента для оптимизации потока жидкости и снижения падения давления.
 
Взяв коллекторы за пример, инженеры могут позиционировать каналы потока внутри коллектора точно там, где они нужны, и в различных формах и размерах. Это значит, что каналы потока могут иметь изогнутые формы и быть расположены ближе друг к другу, чем в обычных коллекторах, что делает готовый продукт более компактным и легким.
 
Изогнутые пути потока могут повысить гидравлическую эффективность на 30–70%.

 
Перепроектирование формы поперечного сечения каналов потока также может иметь значение. Например, пути потока в клапанных штоках обычно круглые, потому что их обрабатывают вращающимися резами.
 
3D-печать позволяет инженерам проектировать поперечные сечения путей потока квадратными вместо круглых, что может увеличить пропускную способность до 20% и снизить потерю давления.
 
Кроме того, традиционные гидравлические компоненты, как коллекторы, часто требуют обработки поперечно-сверленных каналов, которые затем затыкаются для предотвращения утечки масла. Эти закупоренные каналы создают потенциальные пути утечки, вызывающие отказ системы. 3D-печать устраняет эту проблему, устраняя необходимость создавать поперечно-сверленные проходы.
 

Больше примеров 3D-напечатанных гидравлических компонентов

3D-печать гидравлического адаптерного блока

 
GKN Additive 3D-напечатала гидравлический адаптерный блок — коллектор, направляющий поток жидкости в гидравлической системе, связывающий клапаны, насосы и актуаторы.
 
Традиционно используемые гидравлические блоки склонны иметь блочный дизайн с набором внутренних каналов, сверленных в них. Процесс производства начинается сверлением отверстий сверху и снизу.
 
Вертикальные отверстия затем соединяются горизонтальными каналами, и резьба нарезается в них. Чтобы предотвратить утечку масла из открытых горизонтальных каналов, их затыкают гайками и герметизируют.
 
Этот процесс, однако, крайне неэффективен по нескольким причинам. Во-первых, сверленные и фрезерованные края создают острые заусенцы, труднодоступные в пост-обработке. Они могут отламываться во время работы и вызывать отказ системы.
 
Во-вторых, острые угловые точки соединения генерируют турбулентный поток, приводящий к энергетическим неэффективностям. В-третьих, неиспользуемые горизонтальные каналы могут накапливать грязь, снижая оперативный ресурс гидравлической системы.
 
3D-печать помогла GKN Additive преодолеть вышеуказанные вызовы для создания более эффективного гидравлического блока.
 
Вес блока снижен с 30 кг до 5,5 кг без потери функциональности. Новым дизайном удалось избавиться от лишнего материала и обеспечить отсутствие перекрытий сверловин.
 
Более того, новый дизайн полностью исключает неиспользуемые горизонтальные каналы, так что грязи негде накапливаться. Наконец, для снижения турбулентности инженеры заменили острые внутренние углы на гладкие трубопроводы.
 
Подводя итог преимуществам 3D-печати для этого приложения, 3D-печать позволила производителю улучшить функциональность компонента, используя меньше материала. Это перевелось в меньший вес детали и сниженную стоимость производства.
 

3D-напечатанный гидравлический клапанный блок Liebherr

 
Еще один хороший пример 3D-печати для гидравлики — от группы Liebherr. С помощью 3D-печати компания смогла перепроектировать высоконапорный гидравлический клапанный блок, используемый в авиации, чтобы сделать его легче и эффективнее.
 
Команда Liebherr интегрировала 10 функциональных элементов в новый клапанный блок, устранив сложную систему трубопроводов с множеством поперечных сверловин. Результат — клапанный блок на 35% легче, из меньшего числа деталей.
 
3D-напечатанная деталь успешно прошла испытания в тестовом полете самолета A380.
 

Domin Fluid Power переосмысливает свои системы гидравлики с 3D-печатью

 
Британский производитель гидравлических систем Domin обратился к 3D-печати для переразработки своих высокопроизводительных прямоприводных сервоклапанов, используемых для преобразования сигналов в давление.
 
Domin заявляет, что 3D-печать дает возможность строить сложные детали быстрее и без оснастки. Например, компания спроектировала один из своих приводов, который составляет 25% от исходного размера и на 25% мощнее. Деталь произведена за треть стоимости, а время производства сокращено с 5,5 часов до всего 1 часа.
 
Такие результаты невозможны с конвенционными методами, утверждает Domin.
 

Ford 3D-печатает впускной коллектор

Пока мы видели примеры гидравлических компонентов, 3D-напечатанных для тяжелой техники и авиации, Ford пионерствует 3D-печать для автомобильных гидравлических систем.
 
В прошлом году автопроизводитель представил то, что называет крупнейшим металлическим 3D-напечатанным впускным коллектором, когда-либо устанавливавшимся в работающий автомобиль.
 
Тот автомобиль — пикап Ford «Hoonitruck» Кена Блока.

 
Автомобилю требовался специальный впускной коллектор для подачи воздуха от турбонаддувов в цилиндры двигателя, и Ford обратился к металлической 3D-печати.
 
Деталь 3D-напечатана из алюминия на машине Concept Laser и заняла 5 дней на сборку. Благодаря передовому CAD-софту удалось создать сложную паутиноподобную структуру, невозможную традиционными методами. Дизайн оптимизирован для лучшей производительности и меньшего веса — итоговая деталь весит всего 6 кг.
 

Bosch Rexroth использует песчаную 3D-печать для коллекторов

 
Помимо металлической 3D-печати, есть вариант 3D-печати песчаного сердечника, который затем используется для литья гидравлического компонента. Процесс называется биндер-джеттинг и работает путем селективного нанесения связующего агента на слой кварцевого песка.
 
Bosch Rexroth использует песчаную 3D-печать для производства литейных сердечников для управляющих блоков уже несколько лет.
 
Среди ключевых преимуществ Bosch Rexroth называет возможность интеграции машинных компонентов, таких как фильтры в коллекторе, и снижение веса до 30%.
 
Дополнительные выгоды: устранение вспомогательных отверстий, вызывающих утечки, и оптимизация внутренних каналов потока, улучшающая энергоэффективность.
 

Переосмысление гидравлических компонентов с 3D-печатью

По мере того как гидравлическая отрасль стремится к более энергоэффективным и компактным компонентам, 3D-печать предоставляет опцию для разработки и производства более эффективных дизайнов.
 
Видя преимущества в лид-таймах, экономии веса, стоимости и производительности, обеспечиваемых 3D-печатью, многие производители гидравлических компонентов начинают исследовать эту технологию для своих продуктов.
 
Вперед мы ожидаем, что роль 3D-печати в производстве гидравлических компонентов будет расти, помогая компаниям в гидравлической отрасли идти в ногу с текущими и будущими трендами.